Meglepô tény, hogy DESCARTES világszemlélete, amely azzal az igénnyel lépett fel, hogy az arisztotelészi világképet a maga teljes egészében helyettesítse, még két jellegzetesen peripatetikus vonással rendelkezett: erôhatás csak közvetlen kontaktus útján jöhet létre, másrészt vákuum nem lehetséges. Természetesen a descartes-i rendszerben mindegyik elképzelésnek pozitív szerepe is van: a kontaktus útján létrejövô erôhatás egyrészt nem a mozgásállapot fenntartásához, hanem annak megváltoztatásához szükséges, másrészt természetfilozófiai szempontból így tudta a descartes-i rendszer az okkult kvalitásokat geometriai fogalmakra, a kiterjedésre és a mozgásra visszavezetni, így akart lehetôséget teremteni a kvantitatív törvények felállítására. A vákuum lehetetlensége is ezen program megvalósítása keretében érthetô meg: így lehet ugyanis a testek távolba hatását közvetlen kölcsönhatásra visszavezetni, és ezzel a rossz csengésû vonzás, vonzalom szót a fizikából kiküszöbölni.

Galilei javaslata a "horror vacui" mérésére

Az arisztotelészi horror vacui kérdése akkor került újra az érdeklôdés középpontjába, amikor észrevették, hogy a vízszivattyú csak meghatározott magasságig tud mûködni. A kérdéssel mind gyakorlati, mind természetfilozófiai oldalról GALILEI is foglalkozott. Az 1638-ban megjelent Discorsi címû mûvének mindjárt az elején felveti a kérdést, hogy vajon a testek szilárdsága nem annak a következménye-e, hogy elszakításuk idôpillanatában a két, egymástól eltávolodni igyekezô felület között vákuum keletkezik, és a természet irtózása a vákuumtól az, ami ezen szétszakításnak ellenáll? Azt megállapították a Discorsiban beszélgetô partnerek, hogy a szilárd anyagok szétszakításakor nyilván másnak is szerepe van, mint a horror vacuinak, viszont a víz esetében csak ez a tényezô juthat szóhoz. GALILEI megadta azt a mérési elrendezést is ..., amellyel ez a "horror" mérhetô: ez egy vízzel telt henger, amelyet alulról zár el egy dugattyú. Ha erre a dugattyúra . egyre nagyobb súlyt akasztunk, akkor egy meghatározott súlynál a henger megindul lefelé. Ez a súly a mértéke a horror vacuinak. Bármilyen naivnak is tûnik elsô pillanatra ez az egész elképzelés, azzal, hogy GALILEI a horror vacuihoz számértéket rendel, vagyis mérhetôvé teszi, megszûnik okkult kvalitássá lenni, és fizikai mennyiséggé válik, amelynek homályos eredetére legfeljebb a neve utal. Ilyen módon nemcsak a jelenség, hanem annak oka is sokkal könnyebben tisztázható. GALILEI még teljesen hamis képet fûz ahhoz a tényhez, hogy a vízszivattyú szívócsövében a víz nem emelkedik egy meghatározott értéknél magasabbra; éppen az elôbb említett kísérletre hivatkozva úgy képzeli, hogy az ennél magasabb vízoszlop egyszerûen a saját súlya alatt elszakad.

GALILEI mozgástanával kapcsolatban már többször találkoztunk azzal a meglepô ténnyel, hogy GALILEI igen meggyôzô erôvel és ékesszólással véd és állít olyan elképzeléseket, amelyeken a tudomány élvonala már túlhaladt. BEECKMAN ugyanis 1618-ban már megállapította azt, hogy a vízszivattyú szívócsövében a víz csak 18 könyök magasságig emelkedik, és helyesen adta meg az okát: mert a levegô ilyen magasra nyomja fel. Ezen állítás minden kétséget kizáró igazolása és így tudományos közkinccsé tétele azonban csak egy emberöltôvel késôbb, PASCAL munkásságán keresztül történik. Közben ugyanis GALILEI tanítványa, EVANGELISTA TORRICELLI (1608–1647) 1643-ban VIVIANIvaI elvégezte a híres Torricelli-kísérletet. Ez a kísérlet az elemi fizika-oktatás egyik szabványkísérlete. Ha a higannyal telt, egyik végén zárt, a másik végén nyitott üvegcsövet nyitott végével lefelé egy higannyal töltött tálba merítjük, akkor azt találjuk, hogy a higanyszál elválik a felsô lezáró felülettôl, és 76 cm magasságban megáll. A kísérletnek azért van olyan nagy jelentôsége, mert a 10 m magas vízoszloppal szemben ez a rövid higanymagasság sokkal könnyebben elvégezhetô kísérleteket tesz lehetôvé. Azt már GALILEI is és TORRICELLI is sejtette, hogy itt a folyadék sûrûségének döntô szerepe van. Még ha GALILEInek teljesen helytelen elméletét is vesszük alapul, hogy a víz azért nem emelkedik magasabbra a szívócsôben, mert a vízoszlop a saját súlya alatt elszakad, akkor is azt következtethetjük, hogy a nagyobb sûrûségû és így nehezebb higanyoszlop sokkal hamarabb fog elszakadni. A másik jelentôsége a higanynak az – ami az elsô pillanatban jelentéktelennek látszó tény –, hogy éppen a kis méretek miatt a csô üvegbôl is készíthetô, és így látni lehet, hogy mi történik az üvegcsô belsejében. A vízszivattyú szívócsövében ugyanis még azt sem lehetett megállapítani, hogy tulajdonképpen a víz hozzátapad-e a dugattyúhoz, vagy ott valóban valamilyen ûr keletkezik. A következô évtized legizgalmasabb kérdése, amely a legszenvedélyeeebb viták tárgya lett, éppen a Torricelli-ûr volt, tehát a higany felszíne és az üveg felsô fala közötti térrész. A kérdés egyrészt az volt, hogy mi van az ûrben, másrészt az, hogy miért áll meg a higany egy egészen meghatározott magasságban. Az elôzôre elvileg azt a két választ lehetett adni: ott vákuum van, illetôleg ott nincs vákuum. Az utóbbira pedig: a jelenség okát a levegô nyomásában kell keresni, illetôleg a horror vacuiban. ... Ezeket a lehetséges válaszokat még össze is lehet kombinálni: valóban mindegyik lehetséges kombinációnak voltak neves képviselôi. Az Arisztotelész-hívôk természetesen azt válaszolták, hogy vákuum nem lehetséges, tehát a Torricelli-féle ûrben az anyag valamilyen fajtájának jelen kell lennie. A jelenség okát pedig a most már mérhetô kvalitássá szelidített horror vacuiban kell keresni. DESCARTES maga és követôi a jelenség okát – helyesen – a külsô légnyomásban látták, viszont azt állították, hogy a Torricelli-féle ûrben sem lehet vákuum; végül PASCALban lassan és igen gondos, sokrétû kísérletezés után alakult ki a helyes meggyôzôdés: a jelenség oka a külsô levegô nyomása, és a Torricelli-ûrben vákuum van.

Az "ûr az ûrben" kísérlet sémája

Rögtön hozzá kell tennünk, hogy ilyen formában ez a felfogás sem helyes, mert természetesen a Torricelli-ûrben higanygôz van, méghozzá nem is kevés, mert a higanygôz nyomása szobahômérsékleten 10^–3 torr. Vákuumberendezésben higanygôzszivattyú alkalmazása esetén manapság kifagyasztókat szokás alkalmazni, hogy valóban vákuummal legyen dolgunk. Szerencsére a telített gôz jelenléte a jelenségekbe – éppen a lényeges dolgok tisztázása céljából elvégzett kísérleteknél – nem szól bele. Érdekességképpen megemlítjük NOËL (jezsuita páter) elméletét, aki DESCARTES tanítója volt a La Flèche-i iskolában; késôbb DESCARTES elméletének terjesztóje és követôje lett; szerinte a visszahúzódó higanyoszlop az üvegbôl magával ragadja azokat a "tûzrészecskéket", amelyekkel az üveg az üveggyártásnál fellépô magas hômérsékleten telitôdött, és az így keletkezô pórusokon a külsô levegôbôl beáramlik a "tiszta levegô", mint az arisztotelészi négy elem egyike, amelybôl az igazi levegô is összetevôdik. PASCAL ... egyik híres kísérlete, az ûr az ûrben (vide dans le vide), már önmagában is elegendô bizonyítékot szolgáltat arra vonatkozóan, hogy a levegô nyomása hozza létre a jelenséget. A kísérlet azért is érdekes, mert abban az idôben még nem volt légszivattyú, és így PASCALnak valamilyen módon mégis meg kellett oldania a különbözô nyomású levegôvel telített tér problémáját. Ezt a következôképpen tette. Egy Torricelli-elrendezést felfüggesztett egy vastagabb üvegedénybe, amelynek alsó, nyitott végét a kísérlet kezdetén egy membránnal elzárta. A felsô, nyitott végén keresztül az egész edényt megtöltötte higannyal, majd a felsô végét egy légmentesen záró fedôvel lezárta. Az egész higannyal töltött vastag üvegesövet membrános végével lefelé függôleges helyzetben egy higannyal töltött edénybe állította, majd az alsó membránt átszúrta. Ezzel a higanyszint a felsô Torricelli-elrendezés alá süllyedt, és így valóban a Torricelli-ûrben lehetett vizsgálni a viszonyokat, mai kifejezéssel élve, oda egy barométert tettek. PASCAL elôször is megállapította, hogy a Torricelli-ûrbe elhelyezett Torricelli-berendezésben a külsô és belsô higanyszint azonos magasságban van. Ha most levegôt bugyborékoltatunk a vastagabb üvegcsô Torricelli-ûrjébe, akkor azt találjuk, hogy a felfüggesztett belsô barométer higanyszála emelkedni kezd, azaz egyre nagyobb lesz a különbség a külsô edény és a belsô csô higanyszintje között. Ilyen módon egyértelmûen megállapítható, hogy a higanyt a levegô nyomása nyomja meghatározott magasságig.

Hogy a használt folyadék sûrûségének szerepét megvizsgálja, PASCAL érdekes kísérletet végzett két 14 m magas csôvel, melyek egyikét vízzel, a másikat vörös borral töltötte meg. A mozgatható hajóárbochoz erôsített csövekkel végzett kísérleteknek igen nagy nézôközönsége volt. PASCAL feltette a kérdést az 500 fônyi tömegnek, hogy mit gondolnak, melyik folyadék fog mélyebbre süllyedni: a víz vagy a vörös bor? A nyilatkozók legtöbbje a vörös bor mellett szavazott, mondván, hogy abban több a "szellem" (esprit), és így a Torricelli-ûrben nagyobb nyomást fog kifejteni. PASCAL ekkor már tudta, hogy kizárólag a sûrûségek viszonya számít, és minthogy az alkohol könnyebb a víznél, így tudta, hogy a nagy alkoholtartalmú vörös bor kevésbé fog lesüllyedni, mint a víz. A kísérlet természetesen PASCAL várakozását igazolta.

Mint említettük, PASCAL nagyon óvatos volt a kísérleti tényekbôl levonható következtetések tekintetében. Igen sokáig egyformán lehetségesnek tartotta a kvantitatív horror vacuit és a levegô nyomását, mint ható okot. Hû akart maradni azokhoz a filozófiai elvekhez, amelyeket éppen a már emlitett NOËL páter egyik kritikájára válaszoló levelében lefektetett:

Arisztotelész tanítványai most összehordanak minden érvet, amely Mesterük, vagy a kommentátorok írásaiban található, hogy ezeket a dolgokat a horror vacuival magyarázzák, ahelyett hogy belátnák, hogy a tapasztalás az igazi mester, akit a fizikában követni kell, és hogy ez a kísérlet, amelyet a hegyekben végeztünk, felborította azt az általános hitet, hogy a természet irtózik a vákuumtól, és nyilvánvalóvá tette azt az ismeretet, amely most már soha nem vész el, hogy a természet egyáltaIán nem irtózik a vákuumtól, nem tesz semmit, hogy azt elkerülje, és hogy a Ievegô tömegének súlya az igazi oka mindazon dolgoknak, amelyeket eddig ezen képzelt oknak tulajdonítottak.

A döntô kísérletet PASCAL 1647-ben tervezte meg, és az ô útmutatása alapján sógora, PERIER végezte el a Puy-de-Dome hegycsúcson. PASCAL igen helyesen úgy okoskodott, hogy ha a higanyszál magasságát a levegô súlyából eredô légnyomás hozza létre, akkor a tengerszint feletti magasságtól függôen a higanyszál magasságának is csökkennie kell. A nagyon gondosan elvégzett kísérletek valóban azt mutatták, hogy a hegy lábánál hagyott barométer és a 800 méterrel magasabban felállított barométer között igen jól mérhetô, kb. 8 cm magasságkülönbség lép fel. Ez az 1648. szeptember 19-én elvégzett kísérlet a fizika "nagy" kísérletei közé tartozik. Ez a kísérlet természetesen még nem szerepel PASCAL 1647-ben megjelent könyvében, de a világ már 1648 októberében tudomást szerezhetett róla a Recit de la grande expérience de l'equilibre des liqueurs címû munkájából. A tudós világ felcsigázott érdeklôdéssel fogadta PASCAL eredményeit, halála után azonban a rokonság, a hagyaték kezelôi szinte bocsánatkérôen tárták a világ elé PASCAL légnyomásra vonatkozó kísérleteit azzal a megjegyzéssel, hogy nagyon hamis képet kapna az olvasó, ha ennek a csodálatos géniusznak csak ezeket a valójában hozzá méltatlan munkáit ismerné.

PASCAL kísérleteihez közvetlenül csatlakozik EDME MARIOTTE (1620–1684) francia kutatónak, a Boyle–Mariotte-gáztörvény társfeltalálójának egy igen szellemes kísérlete, amely jól egészíti ki a Puy-de-Dome-on végzett kísérletet: ô ugyanis a barométert ... különbözô mélységekben a víz alatt helyezte el, és úgy találta, hogy a higanyoszlop magassága pontosan a várt összefüggésnek megfelelôen, tehát a higany és a víz sûrûségének arányában változik.

Guericke könyvének címlapja

Az olasz–francia kísérletekkel párhuzamosan a 30 éves háború végét szenvedô, illetve azt éppen befejezô Magdeburg városában is érdekes kísérleteket folytat a város polgármestere, OTTO GUERICKE (1602–1686). Ô magától értetôdônek tartotta, hogy ha egy térrészbôl eltávolítjuk az anyagot, például a vizet vagy a levegôt, akkor ott vákuum keletkezik, és erre a vákuumra nehezedik a külsô levegô nyomása. Elôször úgy akart vákuumot elôállítani, hogy egy vízzel telt hordóból vízszivattyú segítségével ki akarta szivattyúzni a vizet. Vákuumot nem sikerült elôállítania, mert a hordó résein keresztül a víz helyére azonnal levegô tódult be. GUERICKÉnek a tudomány szempontjából legnagyobb érdeme a légszivattyú megkonstruálása volt. Ezzel azután sikerült fémedényekbôl a levegôt kiszivattyúzni és így vákuumot elôállítani. A fémedényekkel természetesen kezdetben problémái voltak, mivel a levegô kiszivattyúzása közben a külsô légnyomás összelapította az edényt. Végül sikerült azokat kellô erôsségûre készítenie. Ezekkel aztán különbözô látványos kísérleteket végzett, így 1654-ben a Regensburgban tartott birodalmi gyûlésen a császár jelenlétében mutatta be híres kísérletét. Két, sima peremmel ellátott fémgömböt egymáshoz illesztett, majd kiszivattyúzta a levegôt. Ezután 8–8 ló igyekezett a légnyomás ellenében széthúzni a két féltekét, teljesen sikertelenül. A levegô beengedésével a két féltéke magától szétesett. ...

GUERICKE kísérleteirôl a világ GASPAR SCHOTT jezsuita atya Mechanica hydraulico-pneumatica címû, 1658-ban megjelent munkájából értesült.

Boyle légszivattyúja

Ennek a munkának elsôsorban ROBERT BOYLE (1627–1691) volt a folytatója, aki mellett a késôbb híressé vált HOOKE asszisztenskedett. Ôk is készítettek egy légszivattyút, de nem egyszerûen lemásolták GUERICKE találmányát, hanem egyre jobb változatát alkották meg. Részletes kísérleteket végeztek a vákummal kapcsolatban. Így megállapították, hogy a vákuumon a fény áthatol, de a hang nem. Benne az égés nem lehetséges, és a vákuumba helyezett állatok kimúlnak.

GUERICKÉvel ellentétben BOYLE igen részletes vizsgálatokat folytatott az anyag felépítésével kapcsolatban, de igen óvatosan kerülte a vákuum mibenlétének vitáját. Kijelentette, hogy vákuumon egyszerûen egy olyan térrészt ért, amelyben nincs levegô.

A mai középiskolás fizikában sokat sze- replô "egyik végén nyitott, másik végén zárt U alakú csô". Boyle – Hooke asz- szisztenciája mellett – kiterjedt kísérleteket végzett vele

A [jobb oldali] ábrán azt a kísérleti elrendezést láthatjuk, amely a középiskolai fizikaoktatásban olyan nagy szerepet játszik, és amely elrendezés igen alkalmas arra, hogy vele kapcsolatban gáztörvényekre vonatkozó gyakorló feladatokat konstruáljunk. Ha ezen – a hosszú szárán nyitott, a rövidebb szárán leforrasztott – U alakú üvegcsôben a kísérlet kezdetén a rövidebb szárban normál állapotú levegô van, akkor a hosszabbik szárba higanyt öntve, azt tapasztaljuk, hogy a levegô térfogata egyre csökken. BOYLE ezt az elrendezést egy olyan támadás kivédésére használta, amely azt akarta bizonyítani, hogy a levegô nyomása nem képes a higanyt 76 cm magasra felnyomni. BOYLE azt mutatta meg, hogy a nyitott szárban lényegében tetszés szerinti magas higanyoszlopot létrehozhatunk – kellô higanymennyiség beöntésével – és a lezárt szárban levô, most már kisebb térfogatú levegô ezzel is egyensúlyt tud tartani. Az elrendezés alkalmas arra, hogy segítségével a Boyle-Mariotte-törvényt igazoljuk, amely szerint a gáz térfogatának és nyomásának szorzata állandó – feltételezve, hogy a hõmérséklet közben nem változik.

Jóllehet, BOYLE az anyag korpuszkuláris elméletének harcos híve volt, mégsem kísérelte meg, hogy segítségével ezt az összefüggést értelmezze. Elég kézenfekvô volt ugyanis, hogy a gázok nyomását az atomok mozgásából származtassák: a nagy sebességgel az edény falának ütközô és onnan visszapattanó részecskék hozzák létre a gáz által az edény falára kifejtett nyomást. Ezen kép részletes matematikai kidolgozását sokáig hátráltatta az a körülmény, hogy NEWTON megmutatta, hogy egy ilyen erôhatás létrejöhet nyugvó atomok esetén is. Így NEWTON tekintélye egy ideig megakadályozta az ezirányú fejlôdést, és csak DANIEL BERNOULLInak sikerült lényeges elôrehaladást elérni ezen a téren 1738-ban.

TORRICELLI, PASCAL, GUERICKE és BOYLE vizsgálatainak gyakorlati jelentôségét hamar felismerték. Itt csak az idôjárás és légnyomás kapcsolatának megállapítására és alkalmazására szeretnénk rámutatni.

Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete, 3., átdolgozott kiadás, Gondolat Kiadó, Budapest, 1986, 217–222. o.

Vissza